典型农田与自然土壤自养微生物固碳速率及其功能种群差异机制分析

Autotrophic microbes are widespread in soils. However, the differences in microbial process and mechanisms of microbial autotrophic carbon dioxide fixation in typical agricultural and natural soils remain poorly understood. Therefore, we’ll use typical agricultural and natural soils incubated in microcosms, continuously labeled 13C-CO2 atmosphere to track labeled C incorporation in soil organic matter (13C labeled soil organic carbon) and the acitive carbon pooles (13C labeled microbial biomass and dissolve orangic carbon). The potential CO2 assimilation rates in typical agricultural and natural soils will be assessed. Combining 13C-DNA/RNA-SIP, clone library and real-time PCR techniques, key functional genes including cbbL, cbbM, coxL, aclB, accA and hcd genes will be analysed to investigate the structure, diversity and abundance of autotrophic bacterial communities involved in CO2 fixation, and subsequently to identify the differences in microbial CO2 assimilation mechanisms in typical agricultural and natural soils. This project will provide in-depth understanding of terrestrial ecosystem carbon cycle.

自养微生物在土壤中广泛存在，但目前对农田与自然土壤自养微生物固碳速率及其功能种群差异机制尚不清楚。申请项目拟采用13C-CO2连续标记技术，量化典型农田与自然土壤自养微生物碳同化速率及其潜力差异；通过土壤有机质物理-化学分组方法，探讨自养微生物同化碳在土壤碳库不同粒径和不同腐殖质组分中的分配特征，以揭示其对土壤有机碳的贡献与稳定性机理；通过13C–DNA/RNA-SIP为核心的环境基因组学技术和克隆测序技术，构建农田土壤和自然土壤CO2同化的关键功能基因（cbbL、cbbM、coxL、aclB、accA和hcd）文库，同时结合实时荧光定量PCR技术，明确参与CO2同化作用的关键功能微生物群落结构和数量特征，揭示典型农田与自然土壤自养微生物固碳速率及其功能种群差异的分子机理。通过上述研究可加深对微生物介导的土壤碳循环过程以及陆地生态系统碳循环机制的全面的认识。

受自然条件和人类活动的综合影响，农田和自然土壤在物理、化学和生物学性质方面产生了极大差异，土壤性质的不同可能对土壤中碳同化功能微生物种群丰度、结构和碳同化能力产生重要影响。据此，我们提出三个科学假设：（1）自然土壤微生物CO2同化速率和潜力与农田土壤不同；（2）自然土壤微生物同化碳的转化和稳定性特征与农田土壤不同；（3）自然土壤碳同化功能微生物数量和种群结构与农田土壤不同。为了验证这些假设，本项目开展了碳同位素标记培养实验，分析了典型农田和自然土壤微生物碳同化速率以及土壤微生物同化碳在土壤物理和化学组分中分配特征的差异。同时借助分子生物学技术，揭示了典型农田与自然土壤微生物CO2同化作用的分子机理差异。主要结论如下：.（1）农田和自然土壤微生物碳同化量（14C-SOC）不同，湿地土壤14C-SOC含量最高，为190.79 mg•kg-1；稻田土壤次之，为113.23 mg•kg-1；草地土壤中14C-SOC含量为 31.01 mg•kg-1；林地土壤最低，为17.45 mg•kg-1。碳同化潜力估算结果表明，不同农田和自然土壤碳同化潜力顺序为湿地（0.19 g C m−2•d−1）＞稻田（0.11 g C m−2•d−1）＞林地（0.03 g C m−2•d−1）＞草地（0.02 g C m−2•d−1）；（2）微生物同化碳在腐殖质组分中的总量与土壤类型有关，在腐殖质三个组分胡敏酸（HA）、胡敏素（Hu）和富非酸（FA）中的分配均表现为湿地＞稻田＞草原＞林地；（3）农田和自然土壤中微生物同化碳在土壤团聚体中的分配特征不同。稻田土壤中微生物同化碳主要分布在<53μm和>250μm团聚体中。草地土和林地土微生物同化碳主要分布在<53μm团聚体中，而湿地土微生物同化碳主要分布在53~250 μm团聚体中；（4）农田和自然土壤中不同固碳基因拷贝数不同，相比coxL基因，cbbL基因丰度较高。不同土壤同种固碳基因丰度不同，表现为湿地＞稻田＞草地＞林地。碳同化自养微生物丰度和群落组成的差异可能导致了农田与自然土壤微生物碳同化功能的差异。